新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力

第28卷 第8期

2006年8月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNI VERSITY OF TECHNOLOGY Vol.28 No.8 Aug.2006

新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力

刘胜春,姜德生,李 盛

(武汉理工大学光纤传感技术研究中心,武汉430070)

摘 要: 介绍了一种新型的基于光纤光栅振动传感器的索力测试系统,并与传统的基于压电式加速度传感器的索力测试系统进行了对比试验研究。结果表明,二者的测试精度相差不大,由于压电式加速度传感器的固有缺陷无法实现索力的远程监测,只适用于索力的定期监测;而基于光纤光栅振动传感器的索力测试系统能够对索力进行实时监测。

关键词: 斜拉桥; 索力测试; 传感器; 光纤光栅

中图分类号: TH 74文献标志码: A 文章编号:167124431(2006)0820110203

Application of Optic Fiber Grating Vibration Sensor to Cable

Tension Measuring of Cable 2stayed Bridges

LI U Sheng 2chun,JIANG De 2sheng ,LI Sheng

(F iber Optical Sensing Technology Research Center ,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Abstract: A new cable tension measuring system based on optic fiber grating vibration sensor is introduced.For testing its performance,we made a exper iment in which two cable tensions measuring system,the forenamed one and t he ot her one based on piezoelectr icity accelerometer,were both used to measure the tension of a stayed cable as the same time.The result showed that t he precision of the two methods had little discrepancy.On account of the inherent limitation of the inherent limitation of the piezoelectr icit y accelerometer,t he system based on piezoelectricity accelerometer usually applies to the inspect of the cable tension,but the system based on optic fiber grating vibr at ion sensor can apply to the real time monitoring of the cable tension as well.

Key wor ds: cable 2stayed bridges; cable tension measuring; fiber Br agg grating; vibration sensor

收稿日期:2006203211.

基金项目:国家自然科学基金(50179029).

作者简介:刘胜春(19732),博士生,讲师.E 2mail:liusc@

斜拉索是斜拉桥的一个重要组成部分,斜拉桥桥跨结构的重量和桥上的活载绝大部分或全部都通过斜拉索传递到塔柱上,索力是衡量斜拉桥健康状态的重要参数之一。因此,若能在线实时监测斜拉所的索力,不仅能为斜拉桥系统的维护、保养提供可靠的依据,而且可以及时处理可能出现的故障,避免事故的发生,同时还可以积累有用的参考依据。

在工程实践中,频率法是应用最为广泛的索力测试方法。然而,由于电信号无法远距离准确传输的固有缺点,当前应用的基于压电式加速度传感器的频率法还无法满足索力监测的要求,只能用来进行索力检测。针对这一弱点,作者采用了中心研制的光纤光栅振动传感器来代替压电式加速度传感器并重新设计了索力测试系统。文章将介绍这一新型的索力测试系统,并与传统的频率法索力测试系统作对比试验研究。1 索力与频率的关系

在频率法中,以环境振动或者强迫激励拉索,传感器记下时程数据,并由此识别出索的振动频率。由拉

索与其固有频率的关系便可推算出索力,索与拉力的关系最简单的即为/张紧的弦0的公式

T =4ml 2@(f n /n )2(1)

式中,m 为索的线密度;l 为斜拉索长度;f n 是第n 阶的自振频率;n 是弦振动的阶数。用式(1)虽可粗略地计算索力,但很多时候都显得过于简化,不符合实际情况。实际的拉索由于自重有一定的垂度,具有一定的抗弯刚度,必须引入边界条件。

有学者指出,忽略垂度和刚度的影响,用简单的弦理论计算索力,将带来不可接受的误差[1,2]。为准确地适用振动法测定索力,必须考虑这2个因素,对弦公式进行修正。下面引入一种改进了的解析法,该方法可以综合考虑索的抗弯刚度、支撑条件、垂度的影响[3,4]。

建立图1所示力学模型并做如下假定:1)垂跨比D =S/l 0很小(S n 1);2)拉索只在x 、y 平面内振动,其在x 方向的运动很小,可忽略不计,即u =0,而在y 方向的挠度v n 1;3)当垂跨比D [1/6时,用抛物线代替悬链线具有足够的精度,于是拉索的形状可用抛物线来表示。

拉索在y 方向的运动方程可写成

EI 54v(x ,t)5x 4-H 52v(x ,t)5x 2-h(t )52y 5t 2+m 52v(x ,t)5t 2

=0(2)式中,H 为拉索OP 方向的张力;H 为拉索倾角;m 为索的线密度;EI 为索的弯曲刚度;h(t )为振动引起的拉索张力的增量。

根据假定2)、假定3),拉索的几何形状可表示为y =

4d l 2x(l -x )(3)式中,d 表示拉索在x 2y 坐标系中的垂度。

当索两端固支时,边界条件为 当x =0和x =l 时,v *(x )=0

(4)d v *(x )d x

=0(5)

联立式(2)、式(3)并引入边界条件式(4)、式(5),然后通过分离变量法可得到拉索振动的特征方程

(m 2l)-1]+2m 22m 1sin (m 2l )[cosh (m 1l)-1];R =m 1[2cos (m 1l )sin (m 2l )-2sin (m 2l)]+2m 21m 2

sin h(m 1l)[cos (m 2l)-1];m 21=B 2+B 4+C 4;m 22=B 2+B 4+C 4;B 2=H /EI ;C 4=m X 2/EI ;d =mgl 2cos H /(8H );

l e =l [1+8(d /l)2]。式(6)为超越方程,可用迭代法求解。

2 光纤光栅振动测试的原理

如图2所示,主/悬臂梁0(简称/主梁0)B1与质量块M 组成一个受迫振动系统,光纤Bragg 光栅FBG1粘贴在主梁上,当整个系统受到振动作用时,由于质量块M 的惯性作用,使得主悬臂梁B1做受迫振动,进而主梁产生周期性应变,结果导致FBG1的中心波长发生周期性改变。光纤光栅FBG2粘贴在另一/悬臂梁0B2(简称/辅梁0)上,通过调谐杆F 调整/辅梁0

自由端的挠度,从而调整FBG2的中心波长。宽带光源LED 发出的光经由3dB 耦合器传播到FBG1,经FBG1反射后再经过3dB 耦合器反射到FBG2,经过滤波后透射光由光功率计PD 接收。通过螺杆F 调解FBG2的中心波长,使得FBG1的静态中心波长(或静态工作点)处111第28卷 第8期 刘胜春,等:新型光纤光栅振动传感器测试斜拉索索力